模电场效应管及其基本电路PPT学习教案

1、会计学1模电场效应管及其基本模电场效应管及其基本(jbn)电路电路第一页，共90页。2022年5月9日星期一2场效应晶体管（场效应管）利用多数载流子的漂移(pio y)运动形成电流。 场效应管FET(Field Effect Transistor)结型场效应管JFET绝缘(juyun)栅场效应管IGFET双极型晶体管主要是利用基区非平衡少数载流子的扩散运动形成电流。第1页/共90页第二页，共90页。2022年5月9日星期一3JFET：利用栅源电压（ 输入电压）对耗尽层厚度的控制来改变导电(dodin)沟道的宽度，从而实现对漏极电流（输出电流）的控制。IGFET：利用栅源电压（ 输入电压）对半导

2、体表面(biomin)感生电荷量的控制来改变导电沟道的宽度，从而实现对漏极电流（输出电流）的控制。FET输入电压输出电流第2页/共90页第三页，共90页。2022年5月9日星期一4N沟道(u do)P沟道(u do)增强型耗尽型N沟道P沟道N沟道P沟道（耗尽型）FET场效应管JFET结型MOSFET绝缘栅型(IGFET)分类：第3页/共90页第四页，共90页。2022年5月9日星期一531 结型场效应管 311 结型场效应管的结构(jigu)及工作原理N型沟道PPDGSDSG(a)N沟道(u do)JFET图31结型场效应管的结构示意图及其表示符号Gate栅极Source源极Drain 漏极箭

3、头方向表示栅源间PN结若加正向偏置电压时栅极电流的实际流动方向ID实际流向结型场效应三极管的结构.avi第4页/共90页第五页，共90页。2022年5月9日星期一6P型沟道NNDGSDSG(b)P沟道(u do)JFET图31结型场效应管的结构(jigu)示意图及其表示符号ID实际流向第5页/共90页第六页，共90页。2022年5月9日星期一7DGSDGS(a) N型沟道PPN型沟道源极栅极漏极DGS(b) P型沟道NNP型沟道源极栅极漏极DGS(c) N沟道(d) P沟道图3-1 结型场效应管的结构(jigu)示意图和符号 第6页/共90页第七页，共90页。2022年5月9日星期一8工作(g

4、ngzu)原理 N型沟道DGS(a) UGS0PPID0N型沟道DGS(b) UGS0PPID0UGSDGS(c) UGS UPPPID0UGS图 4-2 当UDS=0时UGS对导电沟道的影响(yngxing)示意1. UGS对导电沟道的影响 第7页/共90页第八页，共90页。2022年5月9日星期一9NDGSPP(a) UGS =0，沟道(u do)最宽图32栅源电压UGS对沟道(u do)的控制作用示意图第8页/共90页第九页，共90页。2022年5月9日星期一10(b) UGS负压(f y)增大，沟道变窄DSPPUGS图32栅源电压UGS对沟道的控制(kngzh)作用示意图横向电场作用：

5、UGS PN结耗尽层宽度 沟道宽度第9页/共90页第十页，共90页。2022年5月9日星期一11(c) UGS负压(f y)进一步增大，沟道夹断图32栅源电压UGS对沟道的控制(kngzh)作用示意图DSPPUGSUGSoff夹断电压第10页/共90页第十一页，共90页。2022年5月9日星期一12图33JFET的转移(zhuny)特性曲线和输出特性曲线 (a)转移(zhuny)特性曲线；(b)输出特性曲线 uGS/V012312345IDSSUGSoffiD/mA(a)第11页/共90页第十二页，共90页。2022年5月9日星期一132. ID与UDS、UGS之间的关系(gun x) NDG

6、S(a) UGS0, UDG| UP|UDSIDUGSNDGSUDSUGSIDPPPPISIS(b) UGS0 , UDG| UP| 预夹断DGSUDSUGSIDPPIS(c) UGSUP , UDG| UP| 夹断图 3-3 UDS对导电沟道(u do)和ID的影响 第12页/共90页第十三页，共90页。2022年5月9日星期一14312 结型场效应管的特性(txng)曲线一、转移特性(txng)曲线2)1 (GSoffGSDSSDUuIiCuGSDDSufi)(式中：IDSS饱和电流，表示uGS=0时的iD值； UGSoff夹断电压，表示uGS=UGSoff时iD为零。恒流区中：uGS0，

7、iD0第13页/共90页第十四页，共90页。2022年5月9日星期一152. 转移特性(txng)曲线 常数DSUGSDUfI)(iD / mA654321uGS / VUDS 4VUP 4 V01234IDSS图4- 5 N沟道结型场效应管的转移(zhuny)特性曲线 21PGSDSSDUUII第14页/共90页第十五页，共90页。2022年5月9日星期一16 根据(gnj)工作情况, 输出特性可划分为4个区域, 即: 可变电阻区、 恒流区、击穿区和截止区。 第15页/共90页第十六页，共90页。2022年5月9日星期一17二、输出特性曲线(qxin) 1. 可变电阻区iD的大小同时(tng

8、sh)受uGS 和uDS的控制。栅、漏间电压uGDUGSoff（或uDSUGSoff预夹断前所对应的区域。uGS0，uDS0第16页/共90页第十七页，共90页。2022年5月9日星期一18图33JFET的转移特性(txng)曲线和输出特性(txng)曲线 (a)转移特性(txng)曲线；(b)输出特性(txng)曲线 1234iD/mA01020uDS/V可变电阻区恒截止区2V1.5V1VUDSUGSUGSoff515流区击穿区UGS0V(b)UGSoff0.5V第17页/共90页第十八页，共90页。2022年5月9日星期一19 当uDS很小时， uDS对沟道的影响(yngxing)可以忽略

9、，沟道的宽度及相应的电阻值仅受uGS的控制。输出特性可近似为一组直线，此时，JFET可看成一个受uGS控制的可变线性电阻器（称为JFET的输出电阻）；当uDS较大时， uDS对沟道的影响就不能忽略，致使(zhsh)输出特性曲线呈弯曲状。第18页/共90页第十九页，共90页。2022年5月9日星期一202.恒流区iD的大小(dxio)几乎不受uDS的控制。预夹断(ji dun)后所对应的区域。栅、漏间电压uGDuGS-UGSoff）栅、源间电压uGSUGSoff第19页/共90页第二十页，共90页。2022年5月9日星期一21(1)当UGSoffuGS0时，uGS变化，曲线平移，iD与uGS符合

10、(fh)平方律关系， uGS对iD的控制能力很强。(2) uGS固定(gdng)，uDS增大，iD增大极小。第20页/共90页第二十一页，共90页。2022年5月9日星期一224.击穿(j chun)区随着uDS增大(zn d)，靠近漏区的PN结反偏电压 uDG(=uDS-uGS)也随之增大(zn d)。 当UGSUGSoff时，沟道被全部夹断，iD=0，故此区为截止区。3. 截止区第21页/共90页第二十二页，共90页。2022年5月9日星期一23 图34 uDS对导电沟道(u do)的影响DGS(a)UDSID0UGSDGS(b)UDSUGS沟道局部夹断IDIDSSPPPP截止区（恒流区）

11、饱和区且临界饱和区可变电阻区)()()()()(offGSGSoffGSGSoffGSDSGSoffGSDSGSoffGSDSGSuuuuuuuuuuuuuGD(2V)S(0V)-4-5-6-7.5VuoffGS7)(设第22页/共90页第二十三页，共90页。2022年5月9日星期一24综上分析(fnx)可知 沟道中只有一种类型的多数载流子参与导电(dodin)， 所以场效应管也称为单极型三极管。JFET是电压控制电流器件，iD受vGS控制预夹断前iD与vDS呈近似线性关系；预夹断后， iD趋于饱和。 JFET栅极与沟道间的PN结是反向偏置的，因 此iG0，输入电阻很高。第23页/共90页第二

12、十四页，共90页。2022年5月9日星期一2532 绝缘(juyun)栅场效应管(IGFET)栅极(shn j)与沟道之间隔了一层很薄的绝缘体，其阻抗比JFET的反偏PN结的阻抗更大。功耗低，集成度高。绝缘体一般为二氧化硅（SiO2），这种IGFET称为金属氧化物半导体场效应管，用符号MOSFET表示（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）。此外，还有以氮化硅为绝缘体的MNSFET等。一、简介第24页/共90页第二十五页，共90页。2022年5月9日星期一26(a)源极栅极漏极氧化层(SiO2)BWP型衬底NNL耗尽层A1层SGD图

13、35绝缘(juyun)栅(金属-氧化物-半导体)场效应管结构示意图 (a)立体图；(b)剖面图 第25页/共90页第二十六页，共90页。2022年5月9日星期一27MOSFETN沟道(u do)P沟道(u do)增强型N-EMOSFET耗尽型增强型耗尽型N-DMOSFETP-EMOSFETP-DMOSFET二、分类第26页/共90页第二十七页，共90页。2022年5月9日星期一28321 绝缘(juyun)栅场效应管的结构322 N沟道(u do)增强型MOSFET (Enhancement NMOSFET)一、导电沟道的形成及工作原理第27页/共90页第二十八页，共90页。2022年5月9日

14、星期一29图 3 6 N 沟 道 增 强 型 M O S 场 效 应 管 的 沟 道 形 成(xngchng)及符号B(b)NUDS导电沟道P型衬底UGSNDGS(c)B第28页/共90页第二十九页，共90页。2022年5月9日星期一30二、转移(zhuny)特性(1)当uGSUGSth时，iD 0，二者符合(fh)平方律关系。2)(2GSthGSoxnDUuLWCui2)(GSthGSUukiD0第29页/共90页第三十页，共90页。2022年5月9日星期一31n L沟道(u do)长度(见图35(a)；n W/LMOS管的宽长比。n在MOS集成电路设计中，宽长比是一个极为重要的参数。第30

15、页/共90页第三十一页，共90页。2022年5月9日星期一32iD0)(VuGSGSthU(a).转移特征(tzhng)曲线:第31页/共90页第三十二页，共90页。2022年5月9日星期一33三、输出特性(1)截止(jizh)区uDS0uGSUGSthuGDUGSth（或uDSUGSthuGDuGS-UGSth）第34页/共90页第三十五页，共90页。2022年5月9日星期一36GD(1V)S(0V)432.51.5设VuGSth2截止区（恒流区）饱和区且临界饱和区可变电阻区GSthGSGSthGSGSthDSGSGSthDSGSGSthDSGSuuuuuuuuuuuuu第35页/共90页第

16、三十六页，共90页。2022年5月9日星期一37323 N沟道(u do)耗尽型 MOSFET (Depletion NMOSFET)20)1 (GSoffGSDDUuIi式中： ID0表示(biosh)uGS=0时所对应的漏极电流。 )(220GSoffoxnDULWCuI第36页/共90页第三十七页，共90页。2022年5月9日星期一38iDuGSUGSoff0(a)ID0图310N沟道耗尽型MOS管的特性(txng)及符号(a)转移特性(txng)；(b)输出特性(txng)；(c)表示符号第37页/共90页第三十八页，共90页。2022年5月9日星期一39图310N沟道耗尽型MOS管的

17、特性及符号(a)转移(zhuny)特性；(b)输出特性；(c)表示符号1234iD/mA01020uDS/V0V515(b)UGS 3V6V3VGSoffGSDSUuu第38页/共90页第三十九页，共90页。2022年5月9日星期一40图310N沟道耗尽型MOS管的特性及符号(fho)(a)转移特性；(b)输出特性；(c)表示符号(fho)(c)DGSB第39页/共90页第四十页，共90页。2022年5月9日星期一41324各种类型MOS管的符号及特性(txng)对比DGSDGSN沟道P沟道结型FET图311各种场效应管的符号对比第40页/共90页第四十一页，共90页。2022年5月9日星期一

18、42DSGBDSGBDSGBDSGBN沟道P沟道增强型N沟道P沟道耗尽型MOSFET图 3 11 各 种 场 效 应 管 的 符 号(fho)对比第41页/共90页第四十二页，共90页。2022年5月9日星期一43iDuGSUG Soff0IDSSID0UGS th结型P沟耗尽(ho jn)型P沟增强型P沟MOS耗尽(ho jn)型N沟增强型N沟MOS结型N 沟图312各种场效应管的转移特性和输出特性对比(a)转移特性N沟道：0DiP沟道：0Di第42页/共90页第四十三页，共90页。2022年5月9日星期一44图312各种场效应管的转移(zhuny)特性和输出特性对比uDSiD0线性可变电阻

19、区012345601231233456789结型P沟耗尽(ho jn)型MOSP沟345601201231233456789结型N沟耗尽型增强型MOSN沟UGS/VUGS/V增强型(b)输出特性N沟道：0DiP沟道：0Di)(GSthGSoffGSDSuuuu第43页/共90页第四十四页，共90页。2022年5月9日星期一4533 场效应管的参数和小信号(xnho)模型 331 场效应管的主要参数一 、 直 流 参 数(cnsh)1. 结型场效应管和耗尽型MOSFET的主要参数 (1)饱和漏极电流IDSS(ID0)： (2)夹断电压UGSoff：当栅源电压uGS=UGSoff时，iD=0。ID

20、SS指的是对应uGS=0时的漏极电流。 2.增强型MOSFET的主要参数对增强型MOSFET来说，主要参数有开启电压UGSth。第44页/共90页第四十五页，共90页。2022年5月9日星期一463.输入电阻RGS对结型场效应管，RGS在1081012之间。对MOS管，RGS在10101015之间。通常(tngchng)认为RGS 。 二、极限(jxin)参数(1)栅源击穿电压U(BR)GSO。(2)漏源击穿电压U(BR)DSO。(3)最大功耗PDM：PDM=IDUDS第45页/共90页第四十六页，共90页。2022年5月9日星期一47DGSDGSN沟道P 沟道结型FET图311各种场效应管的

21、符号(fho)对比DSGBDSGBDSGBDSGBN沟 道P沟 道增 强 型N沟 道P沟 道耗 尽 型MOSFET第46页/共90页第四十七页，共90页。2022年5月9日星期一48三、交流(jioli)参数1跨导gm)/(VmdudigCuGSDmDS对JFET和耗尽(ho jn)型MOS管，电流方程为2)1 (GSoffGSDSSDUuIi那么，对应工作点Q的gm为式中，IDQ为直流工作点电流。DSSDQGSoffDSSGSoffGSGSoffDSSQGSDmIIUIUuUIdudig2)1 (直流工作点电流IDQ ，gm 。第47页/共90页第四十八页，共90页。2022年5月9日星期一

22、4922)()(2GSthgsGSthgsoxnDUukUuLWCui而对增强型MOSFET，其电流(dinli)方程为那么(n me)，对应工作点Q的gm为DQDQoxnmkIILWCug22直流工作点电流IDQ ，gm 。第48页/共90页第四十九页，共90页。2022年5月9日星期一502.输出电阻rds GSQuDDSdsdidur 恒流区的rds可以(ky)用下式计算：其中(qzhng)，UA为厄尔利电压。DQAdsIUr DSGB第49页/共90页第五十页，共90页。2022年5月9日星期一51DGSDGSN沟道P 沟道结型FET图311各种场效应管的符号(fho)对比DSGBDS

23、GBDSGBDSGBN沟 道P沟 道增 强 型N沟 道P沟 道耗 尽 型MOSFET第50页/共90页第五十一页，共90页。2022年5月9日星期一52 图38输出特性uDSiD0UGSUA(厄尔利电压(diny)(b)厄尔利电压(diny)第51页/共90页第五十二页，共90页。2022年5月9日星期一53DSdsGSmDSDSDGSGSDDDSGSDdurdugduuiduuidiuufi1),( 若输入(shr)为正弦量，上式可改写为dsdsgsmdUrUgI1通常rds较大(jio d)，Uds对Id的影响可以忽略，则332 场效应管的低频小信号模型gsmdUgI 第52页/共90页第

24、五十三页，共90页。2022年5月9日星期一54rds(a)gmUgsUdsIdDS(b)gmUgsUoIdDS图313 场效应管低频小信号简化(jinhu)模型第53页/共90页第五十四页，共90页。2022年5月9日星期一5534 场效应管放大器341 场效应管偏置(pin zh)电路偏置(pin zh)方式自偏压方式混合偏置方式 确定直流工作点方法图解法解析法 适宜 JFET、DMOSFET适宜 JFET、DMOSFET、EMOSFET第54页/共90页第五十五页，共90页。2022年5月9日星期一56 图314场效应管偏置方式 (a)自偏压(pin y)方式； (b)混合偏置方式 RD

25、UDDRS(自偏压电阻)uiRGV(a)RDUDDRS(自偏压电阻)uiRG2(b)RG1(分压式偏置)RDUDDRS(自偏压电阻)uiRGV(a)第55页/共90页第五十六页，共90页。2022年5月9日星期一57一、图解法SDGSRiuSDDDGGGGSRiURRRu212 栅源回路(hul)直流负载线方程1.对于(duy)自偏压方式2.对于混合偏置方式 栅源回路直流负载线方程RDUDDRS(自偏压电阻)uiRGV(a)RDUDDRS(自偏压电阻)uiRG2(b)RG1(分压式偏置)第56页/共90页第五十七页，共90页。2022年5月9日星期一58RDUDDRS(自偏压电阻)uiRGV(

26、a)SDGSRiu 栅源回路直流负载线方程1.对于自偏压方式图解法iDuGS0(a)Q1Q2RS1-第57页/共90页第五十八页，共90页。2022年5月9日星期一592.对于混合偏置(pin zh)方式图解法iDuGS0(b)Q1Q2Q2Q3Q3RS1-RG1+RG2RG2UDDRDUDDRS(自偏压电阻)uiRG2RG1(分压式偏置)SDDDGGGGSRiURRRu212 栅源回路(hul)直流负载线方程第58页/共90页第五十九页，共90页。2022年5月9日星期一60解析(ji x)法SDGSGSoffGSDSSDRiuUUIi2)1 (已知电流方程及栅源直流负载线方程，联立求解即可求

27、得工作点. 例如(lr)对于自偏压方式如：第59页/共90页第六十页，共90页。2022年5月9日星期一61UiC2C1RDRG1RSUDD20VRG2150k50k2k10kRL1M(a)Uo.RG31M.C3图316共源放大器电路(dinl)及其低频小信号等效电路(dinl) (a)电路(dinl)；(b)低频小信号等效电路(dinl) 342场效应管放大器分析(fnx)一、共源放大器第60页/共90页第六十一页，共90页。2022年5月9日星期一62rdsDSUo.RDRLUi.GRG3RG2RG1(b)gmUgs.图316共源放大器电路及其低频(dpn)小信号等效电路 (a)电路；(b

28、)低频(dpn)小信号等效电路第61页/共90页第六十二页，共90页。2022年5月9日星期一63式中， ，且一般满足(mnz)RDRLrds。所以，共源放大器的放大倍数Au为若gm=5mA/V，则Au=50。igsUU)(LDmiouRRgUUArdsDSUo.RDRLUi.GRG3RG2RG1(b)gmUgs.)(LDdsgsmoRRrUgU第62页/共90页第六十三页，共90页。2022年5月9日星期一64rdsDSUo.RDRLUi.GRG3RG2RG1(b)gmUgs.kRrRRDdsDo10输入电阻： 输出电阻：MRRRRGGGi0375. 1213第63页/共90页第六十四页，共

29、90页。2022年5月9日星期一65例 场效应管放大器电路如图318(a)所示，已知工作点的gm=5mA/V，试画出低频小信号(xnho)等效电路，并计算增益Au。uiC2C1C3RDuoRG1RG3RS2UDDRG2RS1150k50k2k10k1k1MRL1Mgm2mA/V第64页/共90页第六十五页，共90页。2022年5月9日星期一66uiC2C1C3RDuoRG1RG3RS2UDDRG2RS1150k50k2k10k1k1MRL1Mgm2mA/V 图318带电流负反馈的放大(fngd)电路(a)电路；(b)等效电路；(c)简化等效电路(a)1sgsmgsiRUgUU第65页/共90页

30、第六十六页，共90页。2022年5月9日星期一67RS1rdsDSUo.RDRL+-+-Ui.GRG3RG2RG1gmUgs.)(1SdimgsmdRIUgUgI输出电压)(LDdoRRIUiSmmdURggI11 故 3 . 8)(11LmLDSmmiouRgRRRggUUA第66页/共90页第六十七页，共90页。2022年5月9日星期一681. 放大(fngd)倍数Au iLmmdLdimLSdimgsmdiLSdiouURggIRIUgRRIUgUgIURRIUUA1 )()(式中： 故 所以(suy)3333106 . 11021106 . 11021LmLmuRgRgA第67页/共9

31、0页第六十八页，共90页。2022年5月9日星期一69 图318带电流负反馈的放大电路(dinl)(a)电路(dinl)；(b)等效电路(dinl)；(c)简化等效电路(dinl)gmUgs.DSUo.RS1RDRLrds(b)(c)Uo.RL1gmRS1gmUi.第68页/共90页第六十九页，共90页。2022年5月9日星期一70C2C1RG1RSUDDRG2150k50k2kRL10kUo.RG31MUi.gm2mA/V图319共漏电(lu din)路及其等效电路 (a)电路；(b)等效电路二、共漏放大器第69页/共90页第七十页，共90页。2022年5月9日星期一71图319共漏电(lu

32、 din)路及其等效电路 (a)电路；(b)等效电路(b)Uo.RLRSSDId.gmUgs. gmUi Id(RSRL). 第70页/共90页第七十一页，共90页。2022年5月9日星期一721. 放大(fngd)倍数Au )(LdimLSdimgsmdRIUgRRIUgUgI式中： 故 所以(suy)3333106 . 11021106 . 11021LmLmuRgRgAC2C1RG1RSUDDRG2150k50k2kRL10kUo.RG31MUi.gm 2mA/ViLSdiouURRIUUA)(iLmmdURggI1第71页/共90页第七十二页，共90页。2022年5月9日星期一73C1

33、RG1RSUDD(a)RG2RoIo.Uo.图320计算(j sun)共漏电路输出电阻Ro的等效电路 2. 输出电阻RoC2C1RG1RSUDDRG2150k50k2kRL10kUo.RG31MUi.gm 2mA/V第72页/共90页第七十三页，共90页。2022年5月9日星期一74图320计算(j sun)共漏电路输出电阻Ro的等效电路RS(b)IS.Io.gmUgs. gm( Uo).Uo.RoISRC1RG1RSUDD(a)RG2RoIo.Uo.第73页/共90页第七十四页，共90页。2022年5月9日星期一75omomgsmSSoRSRoUgUgUgIRUIIIISS)(由图可见(kj

34、in) 式中： 所以(suy)，输出电阻为 4001021102133mSogRRmSomSooooogRUgRUUIUR1111第74页/共90页第七十五页，共90页。2022年5月9日星期一76 3.输入电阻 MRRRRRGGGGi0375. 1213C2C1RG1RSUDDRG2150k50k2kRL10kUo.RG31MUi.gm 2mA/V第75页/共90页第七十六页，共90页。2022年5月9日星期一77第76页/共90页第七十七页，共90页。2022年5月9日星期一78新型半导体MOS器件(qjin)研究 第77页/共90页第七十八页，共90页。2022年5月9日星期一79195

35、8年集成电路发明以来,为了提高电子集成系统的性能，降低成本(1)集成电路的特征尺寸不断缩小，制作工艺的加工精度不断提高(2)同时硅片的面积不断增大(3)40多年来，集成电路芯片的发展基本上遵循(zn xn)了摩尔定律，即每隔三年集成度增加4倍，晶体管尺寸按0.7的因子减小。(4) 集成电路芯片的特征尺寸已经从1978年的10m发展到现在的0.130.08m；硅片的直径尺寸也逐渐由2英寸、3英寸、4英寸、6英寸、8英寸发展到12英寸。更新的预测表明,到2016年,MOS的沟道长度将缩小到20nm以下.第78页/共90页第七十九页，共90页。2022年5月9日星期一80MOS器件缩小到亚100nm

36、面临许多挑战,有很多问题需要解决:(1)SCE(短沟道效应);(2)DIBL(漏场感应势垒降低)效应; (3)氧化层的可靠性;(对器件的静态功耗产生影响);(4)量子效应;(使栅电容减小);(5)杂质数涨落;(杂质数统计(tngj)起伏对器件性能影响).第79页/共90页第八十页，共90页。2022年5月9日星期一81SourceDrainTunnelingThermionic emission图7 电子传输方向能带示意图Fig.7 Potential diagram in the direction of electron transport第80页/共90页第八十一页，共90页。2022年5月9日星期一82高K栅介质MOS器件(1)随着半导体器件特征尺寸的缩小， SiO2栅氧化层厚度也相应地减薄。这时电子的隧穿电流更趋明显,传统的二氧化硅栅介质已经无法(wf)满足半导体器件的要求;(2)寻找高性能的、与半导体制备工艺兼